吳力力，丁玉奎，甄建偉

（陸軍工程大學石家莊校區(qū)，石家莊 050003）

0 引言

云爆彈是20世紀后期開始發(fā)展的新型高能彈藥，最初由美軍在越南戰(zhàn)場上投入使用［1］。云爆彈在起爆原理和起爆方式上與常規(guī)彈藥不同，依靠內(nèi)裝云爆劑形成的云霧爆轟產(chǎn)生超壓造成殺傷，相對于普通凝聚炸藥威力要大很多。單兵云爆彈是由單兵發(fā)射使用的單兵武器，使用靈活性高且威力巨大。主要由包裝發(fā)射筒、彈丸、引燃器、彈性爪組件和發(fā)動機等幾部分組成［2］。單兵云爆彈在庫房通常單獨存放，經(jīng)過長期的儲存過后，單兵云爆彈容易造成失效［3］。通過分析該彈產(chǎn)生的失效問題，找出失效原因，對于保持該彈的長期可靠性和安全性具有重要的意義。

溶解度參數(shù)是表征液體分子間相互作用強度特征的重要參數(shù)，而后逐漸作為衡量物質(zhì)之間相容性的重要參數(shù)之一，被廣泛應用于高聚物溶解性的預測與研究、高聚物共混物相容劑的研究、多組分體系相平衡計算、乳化體系的穩(wěn)定性研究、溶劑萃取和氣體在液體中的溶解研究及膜滲透等領域［4］。呂涯［5］運用溶解度參數(shù)對柴油萃取脫蠟的溶劑進行了篩選；陸向紅［6］運用溶解度對脂肪酸甲酯溶解性進行了研究；李跟寶［7］運用溶解度參數(shù)理論研究二甲醚與其他燃料、潤滑添加劑、聚合物的相容性。

本文根據(jù)溶脹原理與溶解度參數(shù)相近原則，通過兩種不同算法對硝酸異丙酯與密封硅橡膠的溶解度參數(shù)進行計算，以此判斷兩者是否發(fā)生溶脹，確定兩者的相容性，從而可以找出單兵云爆彈的失效原因。

1 單兵云爆彈儲存問題分析

1.1 存在的基本問題

單兵云爆彈在長期儲存或者使用過程中，會與周圍環(huán)境產(chǎn)生相互作用，導致該彈某些部件無法正常作用，進而影響該彈的正常發(fā)射使用。單兵云爆彈在長期儲存后容易出現(xiàn)的問題有：包裝發(fā)射筒漏氣、擊發(fā)機構(gòu)卡殼與射擊瞄準鏡發(fā)霉、引信與底火的瞎火、發(fā)動機固藥力下降、硝酸異丙酯的揮發(fā)。

包裝發(fā)射筒主要由玻璃鋼制作，在長期儲存過程中，由于搬運作業(yè)等操作原因，容易產(chǎn)生磕碰，導致包裝發(fā)射筒產(chǎn)生裂縫而破裂。同時，由于長儲后橡膠制品的老化，包裝筒的前后密封蓋密封性能下降［8］。擊發(fā)機構(gòu)主要由工程塑料制造，在長期儲存過程中容易受到周圍溫度、氧氣和水分的長期影響而老化［9］。同時由于庫房溫濕度的影響，特別是空氣中的水蒸氣滲透至包裝箱內(nèi)，容易造成瞄準鏡片發(fā)霉。發(fā)動機內(nèi)裝點火具和發(fā)射藥，發(fā)射藥為管狀單基發(fā)射藥，通過固藥膠固定在發(fā)動機底座上［10］。由于在長期儲存過程中，固藥膠會出現(xiàn)自然老化的現(xiàn)象，導致發(fā)射藥會在搬運過程中產(chǎn)生晃動和脫落［11］。引信和底火包含雷管和火帽等大量火工品，其內(nèi)裝的火工品藥劑容易受到外界溫濕度的影響產(chǎn)生質(zhì)量變化。周圍環(huán)境濕度較大時，火工品中的激發(fā)藥和刺發(fā)藥容易吸濕受潮，降低作用可靠性［12］。硝酸異丙酯是易燃易爆的含能液體，分子量較小，極易揮發(fā)泄露，造成云爆劑質(zhì)量的損失。

1.2 存在問題分析

分析上述幾個常見問題可知，包裝發(fā)射筒漏氣是由于人為操作和外力原因所致，易導致彈藥的射程減少，只要人為加強防護就可以避免；擊發(fā)機構(gòu)卡殼與射擊瞄準鏡發(fā)霉是由于儲存環(huán)境所影響造成的自然老化和變質(zhì)作用，易造成彈藥無法正常射擊使用，通過加強質(zhì)量監(jiān)控、改善儲存環(huán)境就可很大程度避免；引信與底火的瞎火是由于儲存環(huán)境作用造成的自然分解作用，易造成彈藥的發(fā)射瞎火，解決途徑為改善儲存環(huán)境和定期進行檢查更換；發(fā)動機固藥力下降是由于自然老化作用，會影響彈藥的內(nèi)彈道性能，導致射擊密集度變差，解決途徑為定期檢查和更換；硝酸異丙酯的揮發(fā)是由于自身性質(zhì)所決定的，易造成云爆劑的質(zhì)量損失，影響彈藥的威力，由于硝酸異丙酯的特殊性質(zhì)，其揮發(fā)很難避免。通過綜合分析，各問題對比如表1所示。

通過表1易知，硝酸異丙酯的揮發(fā)發(fā)生頻次較高，且很難避免，對彈藥威力的影響最大，無法利用有效措施防止。通過分析，可以確定硝酸異丙酯的揮發(fā)是單兵云爆彈最主要的失效環(huán)節(jié)。找出硝酸異丙酯的揮發(fā)原因，即可找出該彈失效原因。

2 溶解度參數(shù)的計算

2.1 硝酸異丙酯與硅橡膠

硝酸異丙酯（IPN）分子式為C3H7NO3，液體燃燒劑，無色或淡黃色透明液體，沸點為101.5℃，密度為1.04 g/cm3。不溶于水，易溶于乙醇、乙醚、丙酮等有機溶劑中。在空氣中極易揮發(fā)成氣體，且對人體有毒。易燃性類似汽油，閃點為15℃，爆炸極限為2%～100%。常溫下比較穩(wěn)定，隨溫度升高或加溫時間延長分解速度會加快，達到沸點時，分解速度明顯加快。與酸堿作用，易被分解，產(chǎn)生大量熱，生成異丙醇及亞硝酸，并進一步催化分解。常用發(fā)動機的燃氣發(fā)生器和微型單元組液體發(fā)動機上。硝酸異丙酯的分子結(jié)構(gòu)式為：

硅橡膠由硅氧烷與其他有機硅單體共聚而成，是一種分子鏈兼具有無有機性質(zhì)高分子彈體。按其硫化機分為三大類：有機過氧化物引發(fā)自基交聯(lián)型（也稱熱硫化型）、聚反應型（也稱溫硫化型）和加成反應型三大類。硅橡膠常見的種類及其分子結(jié)構(gòu)式為：

甲基乙烯基苯基硅橡膠（PVMQ）在分子鏈中引入了乙烯基與苯基，隨著苯基含量的不同，PVMQ的性質(zhì)也不同。當苯基含量（苯基與硅原子比）在5%～10%時，稱為低苯基硅橡膠；當苯基含量在15%～25%時，稱為中苯基硅橡膠；當苯基含量在30%及以上時，稱為高苯基硅橡膠。硅橡膠分子主鏈由硅原子與氧原子交替組成（—Si—O—Si—），Si—O柔順性好，分子內(nèi)、分子間的作用力較弱，硅橡膠屬于一種半無機的飽和、雜鏈、非極性彈性體。硅橡膠具有優(yōu)異的耐高、低溫性能，在所有的橡膠中具有最寬廣的工作溫度范圍（100℃～350℃）；優(yōu)異的耐熱氧老化、耐天候老化及耐臭氧老化性能；極好的疏水性，使之具有優(yōu)良的電絕緣性能、耐電暈性和耐電弧性。硅橡膠不耐酸堿，遇酸或堿發(fā)生解聚。

2.2 溶解度參數(shù)計算方法

Small［18］認為溶解度參數(shù)是與混合焓有關(guān)的熱力學量，與物質(zhì)的化學結(jié)構(gòu)有關(guān)，于是提出可以通過物質(zhì)結(jié)構(gòu)來估算溶解度參數(shù)。他將物質(zhì)的化學結(jié)構(gòu)分割成適當?shù)脑踊蚧鶊F，并定義各基團的摩爾引力常數(shù)Fi為各基團的內(nèi)聚能（Ei）與摩爾體積的（Vi）之積，即：

Fi的單位為（J·cm3）1/2或（cal·cm3）1/2，其中 1 cal=4.187 J。用Small法估算非極性物質(zhì)的溶解度參數(shù)與實際測得值具有較好的一致性，當估算聚合物的溶解度參數(shù)時，F(xiàn)i為重復單元基團的摩爾引力常數(shù)。設定ρ為聚合物無定形態(tài)的密度，M為重復單元的鏈節(jié)分子量，Small算法其計算公式如下：

通過查閱相關(guān)文獻可知道各基團的摩爾引力常數(shù)值Fi。部分基團的摩爾引力常數(shù)值Fi如表2所示。

表2 部分基團的Fi值

Fedors［19］根據(jù) Small基團貢獻法進行了進一步的改進，F(xiàn)edors假定物質(zhì)基團內(nèi)聚能Em和摩爾體積Vm既均具有加和性，根據(jù)各化學集團對內(nèi)聚能Em和摩爾體積Vm的貢獻值可計算出溶解度參數(shù)，F(xiàn)edors算法其計算公式如下：

通過查閱相關(guān)文獻可知道各基團的內(nèi)聚能Em和摩爾體積Vm。部分基團的內(nèi)聚能Em和摩爾體積Vm如表3所示。

表3 部分基團的E和V貢獻值

2.3 Small算法計算溶解度參數(shù)

硝酸異丙酯的分子結(jié)構(gòu)式可拆分為4個基團，其中包括2個-CH3，1個-ONO2，1個CH基團。硝酸異丙酯的ρ為1.04 g/cm3，分子量M為105。根據(jù)Small算法公式，有如下結(jié)果：

二甲基硅橡膠（MQ）的分子結(jié)構(gòu)式可拆分為4個基團，其中包括1個 Si，2個 -CH3，1個 -O-。硅橡膠的密度取1.2 g/cm3，分子量M為74。根據(jù)Small算法公式，有如下結(jié)果：

甲基乙烯基苯基硅橡膠（PVMQ）中苯基含量為10%、20%、30%、40%、50%時，其密度分別取1.21g/cm3、1.23g/cm3、1.25g/cm3、1.26g/cm3、1.29g/cm3。PVMQ分子結(jié)構(gòu)式的基團單元有Si基、苯基、-CH3、-O-、-CH=、CH2=。以苯基含量10%為例計算，根據(jù)Small算法公式，有如下結(jié)果：

用相同的計算方法可計算出苯基含量20%、30%、40%、50%時的溶解度參數(shù)，分別為8.759、8.899、9.039、9.108、9.325（J·cm3）1/2。

2.4 Fedors算法計算溶解度參數(shù)

硝酸異丙酯的分子結(jié)構(gòu)式根據(jù)Fedors算法可拆分成 2 個 -CH3，1 個 -O-，1 個 -NO2，1 個 CH 基團。其溶解度參數(shù)計算如下：

二甲基硅橡膠（MQ）的分子結(jié)構(gòu)式根據(jù)Fedors算法可拆分成1個Si，2個-CH3，1個-O-。其溶解度參數(shù)計算如下：

PVMQ以苯基含量10%為例，其溶解度參數(shù)計算有如下結(jié)果：

用相同的計算方法可計算出苯基含量20%、30%、40%、50%時的溶解度參數(shù)，分別為8.291、8.660、8.988、9.281（J·cm3）1/2。

3 結(jié)論

根據(jù)Small算法與Fedors算法計算的IPN與各種型號硅橡膠的溶解度參數(shù)如表4所示：

由上表計算結(jié)果可知，可得出如下結(jié)論并提出相應建議：

1）利用Small算法計算的溶解度參數(shù)值比Fedors算法計算的數(shù)值要大，且溶解度參數(shù)之差也偏大。

2）隨著PVMQ中苯基含量的增加，溶解度參數(shù)也隨之增大。這是因為苯基含量的增加，增大了硅橡膠的分子量，分子極性也增大，同時提高了硅橡膠分子的交聯(lián)密度與鍵能，使得溶解度參數(shù)變大。

表4 計算的溶解度參數(shù)值

3）IPN可與硅橡膠產(chǎn)生溶脹。利用Small算法與Fedors算法計算的IPN與各型號硅橡膠的溶解度參數(shù)之差為0.183～1.247，而根據(jù)試驗證明溶解度參數(shù)之差為1.7～2.0時，體系就難以互溶。IPN與硅橡膠的溶解度參數(shù)之差遠小于1.7～2.0，從而證明IPN可與硅橡膠產(chǎn)生溶脹，從而造成IPN的揮發(fā)泄露。

4）利用Small算法及Fedors算法對硅橡膠與硝酸異丙酯的溶解度參數(shù)進行理論計算，為硝酸異丙酯選擇合適密封橡膠提供理論依據(jù)；根據(jù)溶解度參數(shù)相近原則，可以選擇與硝酸異丙酯溶解度參數(shù)差值較大的橡膠對硝酸異丙酯進行密封。

硝酸異丙酯的分子量較小，橡膠大分子的體積龐大且長徑比較大。在兩者相互接觸過程中，硝酸異丙酯分子能夠迅速向橡膠大分子間隙中擴散，從而使得橡膠發(fā)生膨脹。在溶劑小分子進入橡膠大分子間隙后，溶劑小分子逐漸撐開大分子糾纏網(wǎng)，直至大分子間力降為零，糾纏網(wǎng)徹底解體，即橡膠分子由溶脹到溶解。由于硝酸異丙酯與密封硅橡膠墊圈的溶脹，導致硝酸異丙酯的揮發(fā)泄露，引起云爆劑質(zhì)量的變化，進而影響整個彈藥的使用性能。

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